Using NIRS to Capture and Investigate Brain Pulsatility and Its Association with Aging and Cardiovascular Diseases

Alors que la longévité des humains augmente en raison des progrès de la recherche en santé, le vieillissement apparaît comme un facteur de risque critique pour un large éventail de pathologies humaines. « Un homme à l'âge de ses artères » est un dicton qui met l'accent sur l'importance des parois vasculaires en santé pour soutenir un vieillissement en santé. Chez un individu jeune et en bonne santé, lorsque le sang est pompé vers le cerveau, l'élasticité des artères atténue les fluctuations pulsatiles du sang, en particulier au niveau des grandes artères. Ainsi, malgré la nature pulsatile du sang dans les artères majeures, un écoulement continu est finalement atteint dans les capillaires cérébraux durant la systole et la diastole. Un métabolisme cérébral sain et une intégrité microvasculaire dépendent fortement d'un flux sanguin cérébral continu, même durant la diastole. Au cours du vieillissement, les parois artérielles des vaisseaux se modifient, devenant plus rigides et plus épaisses, diminuant ainsi leur capacité à amortir les fluctuations pulsatiles. Le résultat est qu'une pression d'impulsion plus élevée est transmise vers la microcirculation cérébrale. Une telle altération de l'interaction cœur-cerveau médiée par la fonction vasculaire est fondamentale pour une hypothèse biomécanique qui relie une pulsatilité artérielle plus élevée aux lésions cérébrales. Il est en effet supposé qu'une pulsatilité cérébrale plus élevée chez les personnes âgées contribue à la présence de dommages à la microcirculation cérébrale, à l'amincissement cortical et conséquemment au déclin cognitif. Il est connu que la présence de facteurs de risque cardiovasculaires tels que l'hypertension, le diabète et la dyslipidémie pourrait entraîner des dommages accumulés aux parois artérielles. Par conséquent, l'issue défavorable du vieillissement artériel sur le système vasculaire cérébral en aval peut être plus profonde en présence de facteurs de risque cardiovasculaire. L'autre facteur qui influence l'interaction cœur-cerveau est la performance du cœur car celui-ci est la source de la pulsatilité. Dans les maladies cardiaques, telles que la maladie coronarienne, l'une des maladies cardiaques liées à l'âge chez les personnes âgées, le flux sanguin cérébral du cerveau peut être réduit. Afin d'étudier la pulsatilité cérébrale et son association aux modifications cérébrales structurelles et hémodynamiques, trois études ont été ici menées. L'impact du vieillissement en bonne santé sur la pulsatilité cérébrale et son association à l'épaisseur corticale a été étudié en examinant des individus jeunes et plus âgés en bonne santé. Un protocole d'imagerie cérébral multimodal a été utilisé pour étudier la pulsatilité cérébrale. La pulsatilité intracrânienne a été indexée par imagerie par résonnance magnétique par contraste de phases (CP-IRM) dans les artères carotides et vertébrales internes et le canal du liquide céphalorachidien au niveau de l'espace sous-arachnoïdien cervical. La pulsatilité cérébrale régionale à travers le cortex a été quantifiée par une mesure de spectroscopie dans l'infrarouge proche (NIRS) fonctionnelle. L'association entre la pulsatilité et la performance cognitive a ensuite été explorée à l'aide de la tâche de Stroop. Les données NIRS fonctionnelles ont été utilisées pour indexer la pulsatilité chez les personnes âgées présentant des conditions de facteur de risque cardiovasculaire et une maladie coronarienne. Là, le NIRS fonctionnel a permis l'étude de l'hémodynamique cérébrale même dans une expérience basée sur la mobilité et a donc été utilisé pour étudier l'impact de la marche de faible intensité sur la dynamique de la pulsatilité cérébrale. Les résultats montrent le potentiel de contribution du NIRS fonctionnel pour étudier la pulsatilité cérébrale. Plus particulièrement, ils indiquent que la pulsatilité cérébrale évolue à la fois dans un contexte de vieillissement en santé et en présence de pathologies du vieillissement. Cette recherche suggère des pistes prometteuses pour de futures recherches sur la pulsatilité cérébrale en tant qu'indice potentiel de la santé cérébrovasculaire, soit un paramètre qui pourrait à terme devenir un nouvel indicateur de santé cérébrale dans le vieillissement en santé comme dans les cas de maladies cardio-vasculaires lors du vieillissement.

Abstract

As longevity increases due to advancements in science and medical technology, aging is emerging as a critical risk factor for a wide range of human pathologies. “A man is as old as his arteries” is a famous saying that emphasizes the importance of ensuring healthy vessel wall to sustain health in aging. In young and healthy individuals, as blood travels towards the brain, the elasticity of the arteries' wall attenuates the pulsatile fluctuations of blood, especially the large central arteries. Accordingly, despite the pulsatile nature of the blood circulation in the central arteries, a almost steady flow is achieved in the brain capillaries during both systole and diastole, a condition which is required in order not to impact on the integrity of the neurons. Healthy brain metabolism and microvascular integrity are highly dependent upon steady cerebral blood flow, even during diastole. However, in the course of aging, the vessels evolve towards stiffer and thicker arterial walls and the ability of the arteries to damp the pulsatile fluctuations diminishes. The result is a higher pulse pressure traveling to the brain microcirculation. Such alteration in heart-brain interaction mediated by vascular function is fundamental to a biomechanical hypothesis that relates the higher arterial pulsatility to damage in the brain. Higher cerebral pulsatility is hypothesized to contribute to the damage to the brain microcirculation and to cortical thinning that can result in cognitive decline in older adults. It is known that the presence of classic cardiovascular risk factors such as hypertension, diabetes, and dyslipidemia could lead to accumulated damage to the arterial walls. Hence, the adverse outcome of arterial aging on the downstream brain vasculature may be more profound in the presence of cardiovascular risk factors. The other factor that influences heart-brain interaction is the performance of the heart, as it is the source of pulsatility. In heart diseases, such as coronary artery disease, which is one of the prevalent age-related heart diseases among older adults, the cerebral blood flow could reduce. In order to better understand the relationship between brain pulsatility and its association with brain structural and hemodynamic modifications, three studies were conducted. The impact of healthy aging on cerebral pulsatility and its association with cortical thickness was explored by examining healthy young and older individuals. A multi-modal brain imaging protocol was used to study cerebral pulsatility. Intracranial pulsatility was indexed with PC-MRI in the internal carotid and vertebral arteries and cerebrospinal fluid canal at the cervical subarachnoid space. The regional cerebral pulsatility across the cortex was quantified through a measure from functional NIRS data. The association of pulsatility and cognitive performance was then explored using the Stroop test. Functional NIRS data was used to index pulsatility in older adults with cardiovascular risk factor continuum conditions and coronary artery disease. There, functional NIRS enabled the study of cerebral hemodynamics even in a mobility-based experiment and so was employed to study the impact of low-intensity walking on the dynamics of cerebral pulsatility. The results showed the potential of using functional NIRS to study brain pulsatility and indicated that cerebral pulsatility evolves in both healthy and in the presence of cardiovascular pathology. This research suggests promising avenues for future investigations on cerebral pulsatility as a potential index of cerebrovascular health and this parameter may become a new parameter in patients' clinical profiles.